泄洪霧化現(xiàn)象及對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

王鳳嬌

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,成都 610059)

0 引言

1988年龍羊峽水電站泄洪時(shí),霧化降雨導(dǎo)致了下游虎山坡發(fā)生了規(guī)模很大的滑坡,滑體為百萬(wàn)立方米級(jí)。這一實(shí)際問(wèn)題的發(fā)生從根本上更新了國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)泄洪產(chǎn)生的雨霧危害的認(rèn)識(shí),從此,對(duì)大壩挑流雨霧誘發(fā)岸坡變形或失穩(wěn)的研究越來(lái)越多,泄洪霧化現(xiàn)象得到了普遍重視。泄洪霧化是指水利工程泄洪時(shí),下游局部地區(qū)出現(xiàn)較大規(guī)模雨霧的一種現(xiàn)象。泄洪霧化產(chǎn)生的降雨比自然降雨大得多,在高強(qiáng)度的霧化降雨作用下,下游邊坡的地質(zhì)條件發(fā)生改變,邊坡的結(jié)構(gòu)面軟化;巖土體的物理力學(xué)性能減弱,邊坡的下滑力增大,而抗滑力減小,導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降。隨著我國(guó)水電工程的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的高水頭、大泄洪量、高功率的水庫(kù)電站被建在高山峽谷中,所以,研究泄洪霧化現(xiàn)象及其對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響具有重要的意義。

1 泄洪霧化現(xiàn)象

1.1 泄洪霧化的機(jī)理

泄洪霧化是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象,涉及氣液兩相流的問(wèn)題。早期開展研究的學(xué)者劉宣烈和梁在潮等對(duì)霧化現(xiàn)象的成因、霧化源、分區(qū)及影響范圍進(jìn)行了探索研究,后來(lái)的學(xué)者在此基礎(chǔ)上添加了新的研究與理解,目前,對(duì)泄洪霧化現(xiàn)象有了較為深入的研究與界定。

水利工程采用的泄洪消能方式主要有底流消能和挑流消能,其中,挑流消能會(huì)引起嚴(yán)重的霧化現(xiàn)象。劉宣烈等[1]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)挑流消能時(shí)霧化源有兩個(gè)：水舌擴(kuò)散摻氣破碎和水舌落水噴濺,這兩個(gè)霧化源對(duì)應(yīng)了泄洪霧化的的形成過(guò)程的兩個(gè)階段。第一階段為水舌空中摻氣擴(kuò)散,水利工程泄洪時(shí),挑流水舌受周圍環(huán)境的影響,水流內(nèi)部發(fā)生紊動(dòng)失穩(wěn),失穩(wěn)的水體破碎成水滴,其中,粒徑較大的水滴降落成雨,粒徑較小的水滴漂浮在空中成霧;第二階段為水舌入水噴濺,這一階段又可根據(jù)水舌運(yùn)動(dòng)形態(tài)分為3個(gè)階段——撞擊階段,濺水階段和流動(dòng)階段,大部分水體與下游水體相撞產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象,飛濺出的大水滴在重力場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)的作用下形成降雨,飛濺出的小水滴漂浮在空中成霧,并在風(fēng)速場(chǎng)的作用下流動(dòng)形成霧流[2]。

1.2 泄洪霧化的研究方法

目前,研究泄洪霧化現(xiàn)象主要有原型觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型等三種方法。

原型觀測(cè)方法是在大壩泄洪霧化現(xiàn)場(chǎng)使用儀器測(cè)量相關(guān)物理量,并分析觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法[3]。此方法在早期的研究中運(yùn)用得比較多,我國(guó)學(xué)者對(duì)烏江渡、魯布革、灣塘、白山、二灘、溪洛渡等多個(gè)水電站進(jìn)行了原型觀測(cè)研究[3-8],累積了大量的原型觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)分析這些數(shù)據(jù),對(duì)泄洪霧化產(chǎn)生的原因機(jī)理、影響范圍和降雨分布有了一定認(rèn)識(shí)。

物理模型試驗(yàn)是指在室內(nèi)建立原工程等比例縮小的模型,模擬泄洪霧化過(guò)程,監(jiān)測(cè)各物理量的大小,并通過(guò)相似比尺預(yù)測(cè)原工程的霧化雨分布[3]。我國(guó)學(xué)者建立了小灣、江埡、溪洛渡、烏江渡等水電站室內(nèi)水工模型[9-15],對(duì)泄洪霧化的雨強(qiáng)及范圍進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

數(shù)學(xué)模型方法是在原型觀測(cè)或者物理模擬的基礎(chǔ)上,運(yùn)用數(shù)學(xué)方法求解泄洪霧化的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù),根據(jù)所用方法的不同,可將其分為數(shù)值模擬和理論分析方法。數(shù)值模擬方法是依靠計(jì)算機(jī)對(duì)泄洪霧化的過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和表達(dá),采用對(duì)應(yīng)的求解方法,實(shí)現(xiàn)物理力學(xué)過(guò)程的數(shù)值再現(xiàn)[3];理論分析方法是利用記錄的數(shù)據(jù),借助量綱分析、隨機(jī)噴濺模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)分析方法,提出泄洪霧化相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式,建立數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,進(jìn)而預(yù)測(cè)泄洪霧化的范圍和雨強(qiáng)[16-20]。

2 泄洪霧化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

2.1 霧化雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機(jī)理

在對(duì)泄洪霧化現(xiàn)象和邊坡穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)學(xué)者們對(duì)霧化雨邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了一系列相關(guān)研究,分析霧化雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。霧化雨對(duì)邊坡的影響主要有兩方面：一是形成地表徑流,帶走坡表的巖土體;二是入滲到邊坡內(nèi)部。

泄洪霧化降雨入滲的物理過(guò)程和自然降雨入滲是相同的,雨水在重力和基質(zhì)吸力的作用下,從坡體表面向下運(yùn)動(dòng),進(jìn)入巖土體的非飽和區(qū)域,最終到達(dá)潛水面。但霧化雨的入滲是一個(gè)飽和-非飽和、非恒定滲流的過(guò)程,具有降雨量大,降雨分布及強(qiáng)度極不均勻的特點(diǎn)。霧化雨暴雨區(qū)的雨強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自然降雨,此外,霧化雨的雨強(qiáng)隨著距離和高程的變化而變化,從而使得入滲邊界的入滲量變化大。根據(jù)霧化雨入滲的過(guò)程和特點(diǎn),泄洪霧化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響可以總結(jié)為以下兩個(gè)方面：

(1)通過(guò)入滲坡體的軟弱結(jié)構(gòu)面影響邊坡穩(wěn)定性

霧化雨入滲對(duì)坡體的軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生影響,從而使得邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面變形破壞。尤其是巖質(zhì)邊坡,其失穩(wěn)受軟弱結(jié)構(gòu)面的控制。李瓚等[21]通過(guò)對(duì)龍羊峽水電站下游右岸虎山坡進(jìn)行工程地質(zhì)條件分析,得出了該邊坡發(fā)生滑坡的主控因素是斷層F306,在水霧的長(zhǎng)期入侵下斷層的水文地質(zhì)條件發(fā)生改變,從而誘發(fā)滑坡的發(fā)生;劉明等[22]通過(guò)對(duì)錦屏水電站Ⅳ～Ⅵ級(jí)邊坡進(jìn)行工程地質(zhì)條件分析,指出霧化對(duì)該段岸坡穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵是深部裂縫充水而導(dǎo)致荷載增加;巨能攀等[23]還從泄洪霧化對(duì)邊坡巖體的作用機(jī)制入手,發(fā)現(xiàn)雨霧主要沿著順傾坡外拉裂面入滲,影響結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性,從而降低邊坡的穩(wěn)定性。

(2)通過(guò)降低巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)影響邊坡穩(wěn)定性

霧化雨入滲的影響降低巖土體的物理力學(xué)性質(zhì),可能使邊坡發(fā)生淺表層滑動(dòng)或者推移式滑坡。發(fā)生淺表層滑動(dòng)的機(jī)理是：在霧化雨的不斷入滲過(guò)程中,坡體的巖土體發(fā)生軟化,物理力學(xué)性質(zhì)降低,或是坡體內(nèi)的非飽和巖土體的基質(zhì)吸力逐漸減小,形成一些暫態(tài)飽和區(qū),使得巖土體的抗剪強(qiáng)度降低,下滑力增大,從而導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低。此外,由于霧化雨的雨強(qiáng)從坡腳到坡頂呈逐漸減小的特點(diǎn),邊坡前緣的巖土體軟化現(xiàn)象更加明顯,并可能在前緣形成多個(gè)暫態(tài)飽和區(qū),所以霧化邊坡可能發(fā)生從前緣向后緣的解體式滑動(dòng),從而形成推移式滑坡。

學(xué)者們通過(guò)對(duì)霧化邊坡進(jìn)行滲流計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)霧化雨入滲會(huì)在坡面淺表層、或坡度較平緩處和坡腳處形成暫態(tài)飽和區(qū),并使出逸面附近岸坡的地下水位上升,得出霧化雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要是降低基質(zhì)吸力和形成暫態(tài)飽和區(qū)的結(jié)論[24-27]。

2.2 研究方法

2.2.1 定性分析

定性分析是對(duì)滑坡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取相關(guān)參數(shù)來(lái)研究霧化雨影響下邊坡的穩(wěn)定性,或者基于對(duì)工程地質(zhì)條件的分析來(lái)評(píng)價(jià)霧化雨邊坡的穩(wěn)定性。朱濟(jì)祥等[28]根據(jù)長(zhǎng)期變位監(jiān)測(cè)資料,分析霧化雨誘發(fā)龍羊峽水電站下游右岸虎山坡失穩(wěn)機(jī)理;周雄華等[29]根據(jù)霧化雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的機(jī)理和邊坡的工程地質(zhì)條件,分析了錦屏水電站壩址區(qū)岸坡的結(jié)構(gòu)特征和變形破壞模式,并分區(qū)評(píng)價(jià)了岸坡的穩(wěn)定性;劉明等[22]從深部裂縫發(fā)育和坡腳阻抗段巖體單薄等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā),定性分析邊坡的變形機(jī)制及穩(wěn)定性;楊銀輝等[30]通過(guò)分析邊坡工程地質(zhì)條件和泄洪霧化,判斷霧化雨對(duì)二灘電站下游邊坡的變形破壞模式并采取治理措施。

2.2.2 定量分析

定量分析則是通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)霧化雨邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),可總結(jié)為三種計(jì)算分析方法：計(jì)算滲流場(chǎng)、計(jì)算應(yīng)力、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互耦合。

對(duì)于霧化雨邊坡,當(dāng)前,大多數(shù)的研究是通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算邊坡的滲流場(chǎng)變化,如水位線的變化、孔隙水壓力的變化、飽和區(qū)的范圍變化等,來(lái)評(píng)價(jià)霧化雨邊坡的穩(wěn)定性。宋曉晨等[31]使用3D-flow對(duì)清江水布埡水電站臺(tái)子上滑坡進(jìn)行滲流計(jì)算,通過(guò)計(jì)算得到各個(gè)時(shí)刻地下水位和等勢(shì)線的分布,分析了霧化雨作用下邊坡的穩(wěn)定性;榮冠、張勇強(qiáng)等[25-26]在霧化邊坡穩(wěn)定性分析中,考慮到非飽和帶基質(zhì)吸力和暫態(tài)附加水荷載對(duì)巖土體性質(zhì)的影響,提出了一種改進(jìn)的SARMA方法來(lái)分析考慮霧化雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,并通過(guò)孔隙水壓力的分布變化來(lái)評(píng)價(jià)霧化邊坡的穩(wěn)定性;胡進(jìn)云等[32]建立了一種分析霧化雨入滲的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)計(jì)算壓力水頭和零壓力線位置的變化,分析霧化雨入滲對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響;王金龍等[33]則是用坡體飽和區(qū)范圍及壓力水頭的變化規(guī)律來(lái)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。

也有部分研究是通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算邊坡應(yīng)力場(chǎng)的變化,分析霧化雨對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。薛璽成等[34]通過(guò)三維有限元計(jì)算所得的零應(yīng)力等值線的變化及安全系數(shù)K=1的等值線變化,分析滑坡失穩(wěn)破壞的過(guò)程和機(jī)理;巨能攀等[23]采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算不同軟化系數(shù)下邊坡剪應(yīng)力增量分布特征,分析泄洪雨霧入滲后大渡河某水電站邊坡的變形破壞趨勢(shì);劉繼濱等[27]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的最大剪應(yīng)力變化,分析了在天然和泄洪霧化條件下某古滑坡的變形破壞模式。

王環(huán)玲等[35]則提出霧化雨入滲是滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互耦合的問(wèn)題,并根據(jù)裂隙巖體的特點(diǎn)建立了巖體飽和非飽和滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的數(shù)學(xué)模型,編制了相關(guān)的三維有限元程序,通過(guò)分析耦合后位移應(yīng)力場(chǎng)的變化來(lái)評(píng)價(jià)邊坡在霧化雨影響下的穩(wěn)定性;李新強(qiáng)等[36]指出對(duì)霧化邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算對(duì)滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足,大多停留在巖土體強(qiáng)度降低或者荷載增加,并重新界定了入滲的邊界條件,提出了把孔隙飽和度作為強(qiáng)度判定標(biāo)準(zhǔn)的方法。

本文將使用數(shù)值模擬計(jì)算霧化邊坡穩(wěn)定性的方法總結(jié)為以下幾個(gè)步驟：

(1)模型選擇：根據(jù)地形和霧化雨的分布選取具有代表性的剖面,并選擇合適網(wǎng)格的大小進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。

(2)參數(shù)確定：除了確定飽和滲流參數(shù)外,非飽和滲流還需要確定土水特性曲線及非飽和相對(duì)滲透系數(shù)與飽和度的相應(yīng)關(guān)系,一般是將試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合為經(jīng)驗(yàn)公式。

(3)邊界條件：根據(jù)霧化雨強(qiáng)度分布,可以把整個(gè)入滲邊界分為水頭邊界、隔水邊界、入滲邊界、出逸邊界。將邊坡正常蓄水工況下計(jì)算的穩(wěn)定滲流場(chǎng)作為初始定水頭邊界。根據(jù)霧化雨的分布、強(qiáng)度和坡表巖土體的滲透性,可將坡表分為定水頭邊界或者定流量邊界,當(dāng)霧化雨強(qiáng)度小于地表巖土體的飽和滲透系數(shù)時(shí),根據(jù)雨強(qiáng)設(shè)定流量邊界;當(dāng)降雨強(qiáng)度大于地表巖土體的飽和滲透系數(shù)時(shí),坡表形成徑流,邊界條件則為定水頭邊界。模型底部則為隔水邊界。

(4)滲流及應(yīng)力計(jì)算：運(yùn)用滲流計(jì)算結(jié)果,考慮降雨入滲對(duì)邊坡巖土體強(qiáng)度的改變。

(5)結(jié)果分析：可以根據(jù)零壓力線來(lái)分析暫態(tài)飽和區(qū)的變化,零壓力線所圍成的區(qū)域即暫態(tài)飽和區(qū);根據(jù)不同時(shí)刻壓力水頭與埋深的關(guān)系分析滲流場(chǎng)的變化情況;最小主應(yīng)力“零應(yīng)力”等值線的左側(cè)為最小主應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū),可以用來(lái)觀察坡體內(nèi)部應(yīng)力變化;根據(jù)最大剪應(yīng)力和位移的變化來(lái)判別邊坡的變形破壞趨勢(shì)等。

3 結(jié)論

近幾十年來(lái),學(xué)者們對(duì)泄洪霧化相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究,為我國(guó)水利工程的泄洪霧化危害防治提供了豐富的理論基礎(chǔ)和可靠的技術(shù)支撐。通過(guò)原型觀測(cè)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,可以更好地理解和預(yù)測(cè)泄洪霧化的影響,為相關(guān)工程提供科學(xué)依據(jù)。研究霧化邊坡穩(wěn)定性的方法也在不斷地豐富和改進(jìn),其中,基于工程地質(zhì)條件分析,建立泄洪霧化數(shù)值模型,計(jì)算邊坡滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化,以此來(lái)分析霧化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,是目前分析霧化邊坡穩(wěn)定性的常用方法。